机械设计实验指导书

机械设计基础实验指导书

教师：李伟

2017年3月

实验一机构展示与认知实验

一、实验目的

1. 通过实验增强对机构与机器的感性认识；

2. 通过实验了解各种常用机构的结构、类型、特点及应用。

二、实验方法及主要内容

本陈列室陈列了一套CQYG-10B机械原理展示柜，主要展示平面连杆机构、空间连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇机构以及组合机构等常见机构的基本类型和应用。

通过演示机构的传动原理，增强学生对机构与机器的感性认识。通过实验指导老师的讲解与介绍，学生的观察、思考和分析，对常用机构的结构、类型、特点有一初步的了解。提高对学习机械原理课程的兴趣。

三、展示及分析

（一）机构的组成

通过对蒸气机、内燃机模型的观察，我们可以看到，机器的主要组成部分是机构。简单机器可能只包含一种机构，比较复杂的机器则可能包含多种类型的机构。可以说，机器乃是能够完成机械功或转化机械能的机构的组合。

机构是机械原理课程研究的主要对象。通过对机构的分析，我们可以发现它由构件和运动副所组成。机器中每一个独立运动的单元体称为一个构件，它可以由一个零件组成也可以由几个零件刚性地联接而组成；运动副是指两构件之间的可动联接，常用的有转动副、移动副、螺旋副、球面副和曲面副等。凡两构件通过面的接触而构成的运动副，通称为低副；凡两构件通过点或线的接触而构成的运动副，称为高副。

（二）平面连杆机构

连杆机构是应用广泛的机构，其中又以四杆机构最为常见。平面连杆机构的主要优点以能够实现多种运动规律和运动轨迹的要求，而且结构简单、制造容易、工作可靠。

平面连杆机构分成三大类：即铰链四杆机构；单移动副机构；双移动副机构。

1. 铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，即根据两连架杆为曲柄，或摇杆来确定。

2. 单移动副机构，它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成的。可分为：曲柄滑块机构，曲柄摇块机构、转动导杆机构及摆动导杆机构等。

3. 双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构，把它们倒置也可得到：曲柄移动导杆机构、双滑块机构及双转块机构。

通过平面连杆机构应用实例，我们可以归纳出平面连杆机构在生产实际中所解决的两类基本问题：一是实现给定的运动规律，二是实现预期的运动轨迹。

（三）凸轮机构

凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，结构简单紧凑，因此广泛应用于各种机械中。凸轮机构的类型很多，通常按凸轮的形状和推杆（从动件）的形状和运动来分类。凸轮有盘行凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮；推杆按形状分有尖顶、滚子和平底，按运动形式分为直动和摆动推杆；封闭方式分为力封闭、形封闭等。

（四）齿轮机构

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。具有传动准确、可靠、运转平稳、承载能力大、体积小、效率高等优点，广泛应用于各种机器中。根据轮齿的形状齿轮分为：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮及蜗轮、蜗杆。根据主、从动轮的两轴线相对位置，齿轮传动分为：平行轴传动、相交轴传动、交错轴传动三大类。

1．平行轴传动的类型有：外、内啮合直齿轮机构、斜齿圆柱齿轮机构、人字齿轮机构、齿轮齿条机构等。

2．相交轴传动的类型有圆锥齿轮机构，轮齿分布在一个截锥体上，两轴线夹角常为90°。

3．交错轴传动的类型有：螺旋齿轮机构、圆柱蜗轮蜗杆机构，弧面蜗轮蜗杆机构等。在参观这部分时，学生应注意了解各种机构的传动特点，运动状况及应用范围等。

4．齿轮机构参数

齿轮基本参数有齿数z、模数m、分度圆压力角α、齿顶高系数h*a、顶隙系数c*等。

（五）轮系的类型

所谓轮系，是指由一系列齿轮所组成的齿轮传动系统。轮系的类型很多，其组成也各种各样，通过根据轮系运转时各个齿轮的轴线相对机架的位置是否都是固定的，而将轮系分为定轴轮系、周转轮系和混合轮系大类。周转轮系按自由度分为行星轮系和差动轮系，还可根据基本构件的不同加以分类，包含一个系杆H，两个中心轮K，称之为2K—H型周转轮系；包含有三个中心轮，叫作3K型周转轮系。在实际机构中采用最多的是2K—H型轮系。复合轮系可能既包含定轴轮系部分，也包含周转轮系部分，或者是由几部分周转轮系组成。计算复合轮系传动比的正确方法，是将其所包含的各部分定轴轮系和各部分周转轮系——加以分开，并分别应用定轴轮系和周转轮系传动比的计算公式求出它们的传动比，然后加以联立求解，从而求出该轮系的传动比。

（六）间歇运动机构

间歇运动机构广泛用于各种需要非连续传动的场合。常见的有棘轮机构；摩擦式棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；凸轮式间歇运动机构；万向节及非圆齿轮机构等。通过各种机构的动态演示学生应知道各种机构的运动特点及应用范围。

（七）组合机构

由于生产上对机构运动形式，运动规律和机构性能等方面要求的多样性和复杂性，以及单一机构性能的局限性，以致仅采用某一种基本机构往往不能满足设计要求，因而常需把几种基本机构联合起来组成一种组合机构。组合机构可以是同类基本机构的组合，也可以是不同类型基本机构的组成，常见的组合方式有串联、并联、反馈以及叠加等。

四、按要求完成实验报告，实验报告应包含以下内容：

(一)实验目的

(二) 实验设备名称及型号

(三)实验方法及主要内容

(四)实验结果

1 完成如下相关的习题

1) 机器是由什么组成？机构是由什么组成？什么叫构件? 什么叫运动副？

2) 铰链四杆机构有哪三种基本类型？铰链四杆机构可演化成哪些其他四杆机构？试列

举应用实例。

3) 凸轮机构是如何分类的？可分哪些类型?

4) 齿轮机构根据其齿形可分为哪些类型？根据两轴线的位置又可分为哪些类型？分析

各种类型的特点及应用场合。

5) 轮系有哪些类型？轮系有哪些功用并列举应用实例？

2实验的体会与收获

实验二机构运动简图测绘与分析实验

一、实验目的

1．熟悉并掌握机构运动简图绘制的原理和方法，学会根据实际机械和模型绘制机构运动简图的技能；

2．加深和巩固机构自由度的计算方法，并检验机构是否具有确定运动；

3．加深对平面机构结构分析的了解。

二、实验内容及要求

1．以指定的3～4种机构模型或机器为研究对象，进行机构运动简图的绘制；

2．分析所画各机构的构件数、运动副类型和数目，计算机构的自由度，并验证它们是否具有确定的运动；

3．进行机构的结构分析。

三、实验设备和工具

1．各种机器实物和模型；

2．学生自备铅笔、直尺、圆规、橡皮、草稿纸等；

四、实验原理

机器和机构都是由若干构件及运动副组合而成。而机构的运动是由原动件的运动规律、联接各构件的运动副类型和机构的运动尺寸（即各运动副间相对位置尺寸）来决定的。因此，在绘制机构运动简图时，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简单的线条来代替构件。构件的表示法见图1。用规定的符号代表运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此表明机构的运动特征。常用运动符号示例见表1－1。

五、实验步骤

1、确定组成机构的构件数：缓慢转动机器，沿着运动传递的线路仔细看清各构件间的相对运动(有些相互连接构件间的相对运动非常微小)，从而确定组成机构的构件数目。

2、确定运动副的类型：根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动特点，确定各个运动副的类型。

3、选定视图平面：一般选择与多数构件运动平面平行的平面为视图平面。

4、绘制机构示意图的草图：凭目测在草稿纸上徒手按规定的运动副代表符号，从原动件开始，按各构件的连接次序，用简单的线条代表构件，逐步画出机构示意图的草图。用数字1、2、3……分别标准各构件，用字母A 、B 、C ……分别标准各运动副。

5、计算机构的自由度数，并将计算结果与实际机构的自由度相对照，观察二者是否相符。机构自由度的计算公式：F=3n-2PL-PH

(式中： n 为活动构件的数目;PL 为低副的数目; PH 为高副的数目。)

6、测量机构运动尺寸：对转动副测量回转中心间的相对尺寸；对移动副测量导路方向线和与其有关的其他运动副间的相对尺寸。

7、选取适当的比例尺：长度比例尺 )

()

(mm mm l 图纸上所画的长度构件实际长度=

μ

8、绘制机构运动简图：按一定的比例尺。用制图仪器画成正式的机构运动简图。

图1 构件的表示法

表1－1常用运动符号

六、实验安排

1、先由指导教师对测绘过程进行讲解示范，然后分组进行测绘。

2、每个同学应测量4个机构。

机构运动简图测绘实验报告

七、思考题

1、机构运动简图在工程上有什么作用？

2、正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？

3、机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？

4、自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？

实验三：齿轮参数的测定

一、目的

1. 熟悉齿轮各部分名称和几何关系。

2. 学会运用一般测量工具测定渐开线齿轮的各基本参数，通过参数测量，从中掌握标准齿轮与变位齿轮的基本判别方法。

3. 学会测量齿厚的一般方法。

二、设备和工具

被测齿轮、游标卡尺，并自备计算器和稿纸。

三、测量原理和方法

通过改变标准刀具对齿轮毛坯的径向位置或改变标准刀具的齿槽宽切制出的齿形为非标准渐开线齿形的齿轮。切制轮齿时，改变标准刀具对齿轮毛坯的径向位置称为径向变位。改变标准刀具的齿槽宽称为切向变位。最常用的是径向变位，切向变位一般用于圆锥齿轮的变位。

加工出来的齿轮称为标准齿轮。若齿条形刀具的中线不与齿轮毛坯的分度圆相切，而是与刀具中线平行的另一条分度线（机床节线）与齿轮毛坯的分度圆相切并作纯滚动，则加工出

来的齿轮称为径向变位齿轮。加工径向变位齿轮时，齿条形刀具的中线相对被加工齿轮分度圆移动的距离称为变位量,用xm表示,x称为变位系数，m为模数。通常规定，刀具中线相对轮心移远时，x取正值,称为正变位；刀具中线相对轮心移近时，x取负值，称为负变位。

变位齿轮与标准齿轮相比，其模数、齿数、压力角均无变化；但是正变位时，齿廓曲线段离基圆较远，齿顶圆和齿根圆也相应增大，齿根高减小，齿顶高增大，分度圆齿厚与齿根圆齿厚都增大，但齿顶容易变尖；负变位时，齿廓曲线段离基圆较近，齿顶圆和齿根圆也相应减小，齿根高增大，齿顶高减小，分度圆齿厚和齿根圆齿厚都减小。

径向变位齿轮传动可分为高变位齿轮传动和角变位齿轮传动。

高变位齿轮传动又称变位零传动，其特点是两轮的变位系数x1+x2=0。因此，高变位齿轮传动的啮合角α′等于标准齿轮压力角α，即α′=α；节圆与分度圆重合，即r′=r；中心距a′等于标准齿轮传动的中心距a，即a′=a。但由于变位齿轮齿顶高和齿根高发生了变化，高变位齿轮传动可用于中心距等于标准中心距，而又需要提高小齿轮齿根弯曲强度和减小磨损的场合。

角变位齿轮传动的特点是x1+x2≠0，故α′≠α，r′≠r，a′≠a。与标准齿轮传动相比，其啮合角发生了变化。当x1+x2>0 时，称为正传动，此时α′>α，r′>r,a′>a。采用正传动可以提高轮齿的接触强度和弯曲强度，改善轮齿的磨损，凑配中心距，但重合度有所减小。当

x1+x2<0 时，称为负传动，此时α′<α，r′

变位齿轮的作用，即为什么要对标准齿轮进行变位。原因有三个：

1）一对啮合的标准齿轮，由于小齿轮齿根厚度薄，参与啮合的次数又较多，因此强度较低，容易损坏，影响了齿轮传动的承载能力。

2）标准齿轮中心距用a表示，若实际需要的中心距（用A表示）Aa,可以安装，却产生大的侧隙，重合度也降低，都影响了传动的平稳性。

3）若滚齿切制的标准齿轮（压力角为20度）齿数小于17，则会发生根切现象，影响实际使用。

齿数Z 、模数 m 、压力角α、齿顶高系数z

o h 、顶隙系数C x

、变位系数X 等是齿轮的基本参数，这些参数可能过测量或计算而得。这些参数一旦被确定，则该齿轮的各部分尺寸即可确定。

由图3—1可知，当游标卡尺的两卡脚分别与两渐开线齿廓的不同位置相切时，两切点间距11B A 和22B A 均为两渐开线的公法线，根据渐开

线性质可知：11B A ＝22B A ＝00B A ，且必与基圆相切。

卡脚与齿廓的切点位置与卡测数Ｋ的多少有关，如果卡测齿数过多，则卡脚可能与两齿顶相接触而不是相切；相反，如果卡齿数过少，则两卡脚可能与齿根接触，也不一定是相切。这时所测出的两触点间的距离不是真正的公法线长度。测量公法线长度时，最好使两卡脚与两齿廓的切点大致落在分度线附近。为此卡测齿线Ｋ可按下表选取：

z 12～18 19～26 27～36 37～45 46～54 55～63 64～72 k

２

３

４

５

６

７

８

通过测量公法线长度k

W '、1k W +'，齿数Z 、顶圆直径d a 则可求出齿轮的主要参数：m 、α、x 、*a h 和C x

。方法如下：

1. 齿数Z ：可直接由具体齿轮数出。

2. 模数m 和压力角α

根据齿数Z 由上表查出卡测数K （或由附表3—1）求得，并分别测出公法线长度k W '、

1+'k W （1-'k W 亦可），由图3—2可得，

k W '=P b （k-1）+S b （1） 1+'k W =P b ·k+S b （2）

由（2）与（1）相减得基圆齿距

P b =1+'k W -k W '=πmcos α

∴ 模数 m=

α

πcos b

P （3）

其中：α——分度圆压力角。

一般α=20°但也有α=15°，故分别以α=20°和15°代入式求出m 值，如与标准值相符或极接近者，则此压力角为该齿轮压力角。所求得的m 值为该齿轮的模数。

测量时，千分尺的卡脚与齿廓工作段中部附近相切，即卡脚与齿轮两个渐开线齿面相切在分度圆的附近。

3. 变位系数

根据测得的公法线长度k W '和k W （由附表3—1求得），则可得齿轮变位系数

X=

α

sin 2m W W k

k -' （4）

根据计算结果：如X=0，则为标准齿轮；如果X>0，则为正变位齿轮；如果X<0，则为负变位齿轮。对非机类专业，由于变位齿轮是超出其教学要求，故不要求非机类同学进一步测定和计算变位齿轮的有关参数和尺寸。

4. 分度圆直径d ：对直齿圆柱齿轮

d=mz （5）

5. 测量齿顶圆直径d a 和齿根圆直径d f ，，当齿数Z 为

偶数时，可直接量出a

d '和f d '.。当齿数Z 为奇数时 （6） （7）

（

H 1和H 2分别为从齿轮孔壁到齿顶和齿根之距（见图3—3）

6. 齿顶高系数*a h 齿顶高

2

d

d h a a -=

（8） 对标准直齿圆柱齿轮

*a 0mh h = （9）

由（8）和（9）式得出齿顶高系数

102H d d a

+='2

02H d d f +='

m

h h a

*a =

（10） 如果求出的*a h 符合标准值：如*a h =1则为正常齿，此时C x

=0.25，如*a h =0.8，则为短齿，此时C x

=0.80。

7. 齿厚测量

齿厚测量常是切齿过程用以测量和检验切削用量以及控制齿侧间隙的一种方法。

圆柱齿轮齿厚测量常用公法线长度或分度圆弦齿厚（或固定弦齿厚）。公法线长度的测量原理和它所用的工具如前所述。测量时，卡测齿数K 及公法线长度W k 的理论值可由附表3—1求得。分度圆弦齿厚S 的测量可用齿轮游标卡尺来进行（图3—4）。齿轮游标卡尺实际上是由垂直和水平方向上的两把游标卡尺组成。测量时，分度圆弦齿高a h 按附表3—2求得，以齿顶为基准，并按a h 调整垂直方向上的游标卡尺。然后在水平游标卡尺上读出分度圆弦齿厚S 。

四、实验步骤

单个齿轮参数的测量可按下列方框图所示的方法和步骤进行。

附表3—1标准直齿圆柱齿轮公法线长度W k 与卡测齿数K （α=20°）

Z

12 18 25 33 34 W ko （m=1mm ）

4.582 4.680 7.730 10.795 10.809 K

2

2

3

4

4

注：1. 当m ≠1时，公法线长度：Wk 等于表中数值乘以该轮模数而得。

2. 变位直齿圆柱齿轮公法线长度Wk=（W ko +0.684x ）m 卡测齿数k '=0.111Z+0.5+1.75x

附表3—2标准圆柱齿轮分度圆弦齿厚S 和弦齿高o h （α=20°，m=1mm ，x

o h =1）

Z

12 18 25 33 34 S

1.5663 1.5688 1.5698 1.5702 1.5702 o h

1.559

1.0342

1.0247

1.0187

1.0181

注：当m ≠1时，实际的S 和o h 值可用表中数值第乘以该模数m 而得。

五、思考题

1. 决定齿廓形状的基本参数有哪些？

2. 测量公法线长度时，卡尺的卡脚若放在渐开线齿廓的不同位置上，对所测定的公法线长度k W '和1+'k W 有无影响？为什么？

3. 在测量顶圆直径d a 和根圆直径d f 时，对偶数齿和奇数齿的齿数的齿轮在测量方法上有什么不同？

六、测量结果